DE3512861A1 - DEVICE FOR CONTINUOUSLY MEASURING THE CONCENTRATION OF A GAS - Google Patents
DEVICE FOR CONTINUOUSLY MEASURING THE CONCENTRATION OF A GASInfo
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"Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gases""Device for the continuous measurement of the concentration of a gas"
Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gases Device for continuous measurement of the concentration of a gas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines mehratomigen, nicht elementaren Gases nach dem Oberbegriff des AnspruchsThe invention relates to a device for continuously measuring the concentration a polyatomic, non-elementary gas according to the preamble of the claim
Aus Hengstenqerg/Sturm/Winkler: "Messen, Steuern und Regeln in der chemischen Technik",Band II, 3. Auflage 1980, Seiten 24/25 ist ein Einstrahl-Wechsellichtphotometer bekannt, bei dem zwischen einer konstanten Strahlungsquelle und einer von dem zu untersuchenden Gas durchströmten Absorptionsküvette eine drehbare Filterscheibe angeordnet ist. In dieser sind radial-symmetrisch zwei Interferenzfilter vorgesehen, deren Durchlaßbereich zum einen in dem Bereich des Absorptionsmaximum des zu untersuchenden Gases und zum anderen in dem Bereich, in dem das Gas nur eine geringe oder möglichst keine Absorption aufweist,From Hengstenqerg / Sturm / Winkler: "Measuring, controlling and regulating in chemical engineering", Volume II, 3rd edition 1980, pages 24/25 is a single-beam alternating light photometer known, in which between a constant radiation source and an absorption cuvette through which the gas to be examined flows a rotatable filter disc is arranged. In this two interference filters are provided radially symmetrically, their pass band on the one hand in the area of the absorption maximum of the gas to be examined and on the one hand others in the area in which the gas has little or no absorption,
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liegen. Diese nacheinander in den Strahlengang gebrachten Interferenzfilter erzeugen abwechselnd ein Meßlichtbündel und ein Vergleichslichtbündel, die auf einen photoelektrischen Empfänger treffen. Die entsprechenden Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers werden miteinander ins Verhältnis gesetzt und ergeben so ein Maß für die Konzentration des zu untersuchenden Gases.lie. These interference filters, which are brought into the beam path one after the other, generate alternately a measuring light beam and a comparison light beam, which hit a photoelectric receiver. The corresponding output signals of the photoelectric Recipients are set in relation to each other and thus result in a measure of concentration of the gas to be examined.
Um die Nachteile einer Sukzessivmessung hinsichtlieh kurzfristiger Änderungen in der Meßapparatur und um die Verwendung der rotierenden Filterscheibe und des hierfür erforderlichen geregelten Antrieb zu vermeiden, ist aus der DE-OS 32 38 179 eine Anordnung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines mehratomigen, nicht elementaren Gases mit einem nicht dispersiven Infrarot-Einstrahlphotometer bekannt, bei der eine von einer getakteten Strahlungsquelle Wechsellichtstrahlung nach Durchgang durch eine von einem Gas durchströmte Absorptionsküvette gleichzeitig auf zwei Photoempfänger trifft, wobei nur einem der Photoempfänger ein Filter vorgeschaltet ist und die Ausgangssignale der Photoempfänger in einer quotienten Schaltung ausgewertet werden. Dabei ist das Filter ein Interferenzfilter, dessen Durchlaßbereich mit dem größten Absorptionsmaximum des Gases, dessen Konsentration gemessen wird, übereinstimmt. Die aus dieser Druckschrift bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß die zwei photoelektrischen Empfänger in ihren Fertigungstoleranzen und ihrem Temperaturverhalten u.dgl. aufeinander abgestimmt sein müssen, oder daß zusätzliche Vorkehrungen für eine Temperaturkompensation getroffen werden müssen, da anderenfalls die Meßergebnisse verfälscht werden. Der Erfindung liegt daherAbout the disadvantages of successive measurement short-term changes in the measuring equipment and the use of the rotating filter disc and to avoid the regulated drive required for this, from DE-OS 32 38 179 a Arrangement for continuous measurement of the concentration of a polyatomic, non-elementary gas with a non-dispersive infrared single-beam photometer known in which one of a clocked radiation source alternating light radiation after passing through an absorption cuvette through which a gas flows, to two at the same time Photo receiver meets, with only one of the photo receivers is preceded by a filter and the Output signals of the photoreceivers are evaluated in a quotient circuit. Here is that Filter an interference filter whose pass band with the greatest absorption maximum of the gas, whose consentration is measured agrees. The device known from this publication has the disadvantage that the two photoelectric receivers in their manufacturing tolerances and their temperature behavior and the like must be coordinated with one another, or that additional precautions must be taken for a temperature compensation, otherwise the measurement results be falsified. The invention therefore lies
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die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Kon2entration eines mehratomigen, nicht elementaren Gases zu schaffen, die eine genauere Messung insbesondere unter Ausschaltung der Temperaturdriften und Fertigungstoleranzen der Empfängeranordnung, der Alterung von Strahlungsquelle und Empfängeranordnung und der Ausschaltung von Verschmutzungen ermöglichtthe object of a device for continuous measurement of the concentration of a to create polyatomic, non-elementary gas, which allows a more precise measurement in particular under Elimination of temperature drifts and manufacturing tolerances of the receiver arrangement and aging of radiation source and receiver arrangement and the elimination of soiling
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Durch Vorsehen eines Empfängers, der auf einerSubstrat .scheibe mindestens zwei getrennte Sensorbereiche aufweist, wobei die Sensorbereiche mit Filtern unterschiedlicher Durchlaßbereiche abgedeckt sind, wird eine sehr genaue Messung erreicht, da beide Sensorbereiche auf einem Substrat durch einen einheitlichen Fertigungsprozeß entstehen und sich durch ihre nahe räumliche Anordnung auf dem gleichen Temperaturniveau befinden und zusätzlich gemeinsam durch ein Gehäuse abgeschirmt werden. Der beiden Sensorbereichen gemeinsame Temperatureinfluß, sowie die Verschmutzung der Küvette, der Alteruna von Strahlungsquelle und Empfänger werden durch die Bildung des Verhältnisses zwischen von dem einen Sensorbereich gelieferten Meßsignal und von dem anderen Sensorbereich gelieferten Bezugssignal ausgeschaltet.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the main claim Connection with the features of the generic term solved. By providing a recipient who can respond to a substrate. disc at least two separate Has sensor areas, the sensor areas with filters of different transmission ranges are covered, a very precise measurement is achieved because both sensor areas are on one Substrate arise through a uniform manufacturing process and differ through their close spatial Arrangement are at the same temperature level and are also carried out together a housing must be shielded. The two sensor areas share temperature influence, as well as the contamination of the cuvette, the alteration of the radiation source and the receiver are caused by the Formation of the ratio between the measurement signal supplied by the one sensor area and that of the reference signal supplied to other sensor area is switched off.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendunq von drei Sensorbereichen auf einen Substrat* wodurch die Konzentration vonThe measures specified in the subclaims are advantageous developments and Improvements possible. The use of three sensor areas is particularly advantageous a substrate * thus increasing the concentration of
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zwei Gasen unter Verhältnisbilduna mit einem Bezuqssignal gemessen werden kann,oder neben dem die Konzentration eines Gases erfassenden Meßsignal eine Störgröße erfaßt und eliminiert werden kann, die im Absorptionsmaximum des zu messenden Gases liegt.two gases can be measured under ratio formation with a reference signal, or besides the measurement signal detecting the concentration of a gas detects and eliminates a disturbance variable which lies in the absorption maximum of the gas to be measured.
Um eine genaue Messung durchführen zu können, ist bei dem verwendeten Empfänger eine Strahlungsquelle mit einer gleichmäßigen Strahlungsverteilung notwendig. Es wird ein Flächenstrahler, insbesondere ein auf ein Substrat aufgedampfter Widerstand vorgeschlagen, der eine sehr gleichmäßige Strahlungsverteilung, eine große mechanische Stabilität und eine geringe Energieaufnahme aufweist. Bei der Verwendung eines Flächenstrahlers aus Platin werden die Eigenschaften der Strahlungsquelle weiter verbessert, da der Strahler korrosionsfest und alterungsbeständig ist.In order to be able to carry out an exact measurement, the receiver used has a radiation source with a uniform distribution of radiation is necessary. It will be a surface radiator, in particular a resistor which is vapor-deposited on a substrate and which is very uniform Radiation distribution, great mechanical stability and low energy consumption having. When using a surface radiator made of platinum, the properties the radiation source is further improved because the radiator is corrosion-resistant and non-aging.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing and is explained in the following description. Show it:
Fig. 1Fig. 1
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Fig.Fig.
Fig.Fig.
Die ansich bekannte schaltungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des HauptanspruchsThe per se known circuit design of a device according to the preamble of the main claim
mit der Verwendung der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung,with the use of the receiver arrangement according to the invention,
den schematischen Aufbau des Empfängers mit zwei Sensorbereichen undthe schematic structure of the receiver with two sensor areas and
den schematischen Aufbau des Empfängers mit drei Sensorbereichen.the schematic structure of the receiver with three sensor areas.
Eine von einer getakteten Gleichspannungsquelle gespeiste Strahlungsquelle 1 gibt Strahlungsimpulse entsprechend der Frequenz der getakteten Gleichspannung, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 30 Hz ab. Der Strahlunasquelle 1 nachgeschaltet ist eine Absorptionsküvette 2, durch die das oder die zu messenden Gase hindurchgeleitet werden. Die durch die Absorptionsküvette durchgehende Strahlung trifft auf einen Empfänger 4, der als pyroelektrischer Empfänger ausgebildet sein kann. Der Empfänger 4 weist entsprechend Fig. 2 eine Substratscheibe 20 auf, die mit zwei dicht-beieinander liegenden Sensorbereichen 4a, 4b versehen ist. Die Sensorbereiche 4a, 4b sind jeweils mit einem Filter 3a, 3b unterschiedlicher Durchlaßkurve abgedeckt. Die Ausgänge des Empfängers sind über je einen Verstärker 5a, 5b und Kondensator 6a, 6b mit je einem Eingang eines Synchrongleichrichters 7a, 7b verbunden. Die Synchrongleichrichter 7a, 7b werden von der Gleichspannungsquelle 9 gesteuert. Die Ausgänge der Gleichrichter 7a, 7b führen zu einer Quotientenschaltung 8, die den Quotienten, d.h. das Verhältnis aus den beiden ihr zugeführten Signalen bildet.A radiation source 1 fed by a clocked DC voltage source emits radiation pulses corresponding to the frequency of the pulsed DC voltage, preferably in the range of 1 to 30 Hz. Downstream of the radiation source 1 is an absorption cuvette 2 through through which the gas or gases to be measured are passed. The through the absorption cuvette Continuous radiation hits a receiver 4, which is designed as a pyroelectric receiver can be. According to FIG. 2, the receiver 4 has a substrate disk 20, which is provided with two closely spaced sensor areas 4a, 4b is provided. The sensor areas 4a, 4b are respectively covered with a filter 3a, 3b different transmission curve. The outputs of the receiver are each via an amplifier 5a, 5b and capacitor 6a, 6b with one input each Synchronous rectifier 7a, 7b connected. The synchronous rectifier 7a, 7b are of the DC voltage source 9 controlled. The outputs of the rectifiers 7a, 7b lead to a quotient circuit 8, which is the quotient, i.e. the ratio of the two signals fed to it forms.
D er Sensorbereich 4a, der die Konzentration des zu messenden Gases erfassen soll, ist mit einem Interferenzfilter abgedeckt, dessen Durchlaßbereich mit dem Absorptionsmaximum des zu messenden Gases übereinstimmt. Der andere Sensorbereich 4b, der das Bezugssignal liefern soll, kann mit einem Filter mit breitbandigem Durchlaßbereich versehen sein, wobei im Extremfalle das Filter 3b weggelassen werden kann, so daß der gesamte Spektralbereich der Strahlunqs-T he sensor area 4a, which is to detect the concentration of the gas to be measured, is with an interference filter covered, the pass band with the absorption maximum of the gas to be measured corresponds. The other sensor area 4b, which provide the reference signal should, can be provided with a filter with a broadband passband, in the extreme case the filter 3b can be omitted, so that the entire spectral range of the radiation
quelle unter Berücksichtigung der Veränderungen durch die Absorptionsküvette erfaßt wird. Beide Sensorbereiche 4a, 4b können aber auch einteilig, d.h. mit einem Stück saphir oder einem ähnlichen Träger für Interferenzverlaufsfilter abgedeckt sein, wobei der eine Teil des Saphirs mit dem Interferenzfilter bedampft ist und der andere Teil keine Bedampfung aufweist. Da bei einem den Sensorbereich 4b (Bezugssignal) zugeordneten breitbandigen Durchlaßbereich das Absorptionsmaximum des zu messenden Gases, d.h. die Durchlaßkurve des Sensorbereiches 4a (Meßsignal) miterfaßt wird, kann in diesem Fall eine geringe Dämpfung des Ausgangssignals der Quotientenschaltung 8 auftreten. Um diese Dämpfung vollständig auszuschalten, kann für das dem Sensorbereich 4b (Bezugssignal) zugeordnete Filterelement ein Interferenzfilter mit einer engen Durchlaßkurve gewählt werden, die in einem anderen Wellenlängenbereich als der des Interferenzfilters 3a liegt. Auch hier sind die Filter 3a, 3b auf einem Substrat aufgebracht.source is detected taking into account the changes caused by the absorption cuvette. Both However, sensor areas 4a, 4b can also be made in one piece, i.e. with a piece of sapphire or something similar Be covered carrier for gradient filter, one part of the sapphire with the interference filter is vaporized and the other part has no vaporization. Since with one the The broadband transmission range assigned to the sensor area 4b (reference signal) shows the absorption maximum of the gas to be measured, i.e. the transmission curve of the sensor area 4a (measurement signal) is also detected, in this case a small amount Attenuation of the output signal of the quotient circuit 8 occur. To complete this attenuation can be switched off for the filter element assigned to the sensor area 4b (reference signal) an interference filter with a narrow transmission curve can be chosen that in another Wavelength range than that of the interference filter 3a. Here, too, the filters 3a, 3b are on applied to a substrate.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Filter 3a, 3b in dem die Substratscheibe 20 mit den Sensorbereichen 4a, 4b aufnehmenden Gehäuse integriert, in dem ebenfalls die für die Beschaltung der Sensorbereiche 4a, 4b notwendige elektrische Beschaltung, wie Ableitwiderstände und Feldeffekttransistoren aufgenommen sind. Selbstverständlich können, wenn notwendig, auch mehrere Interferenzfilter übereinander angeordnet sein, wobei sich die beidseitige Bedampfung eines Trägers für Interferenzverlaufsfilter anbietet.In the preferred embodiment, the filters 3a, 3b are in the substrate wafer 20 with the sensor areas 4a, 4b receiving housing integrated, in which also for the wiring the sensor areas 4a, 4b necessary electrical wiring, such as leakage resistors and Field effect transistors are added. Of course, several can also be used if necessary Interference filters can be arranged one above the other, with the vapor deposition on both sides of a carrier for waveform filters.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ver-In Fig. 3, a further embodiment of a device according to the invention is
wendeten Empfängers 4 dargestellt, bei dem auf der Kristallscheibe 20 drei Sensorbereiche 4a, 4b, 4c dicht beieinanderliegend angeordnet sind, die entsprechend nit einem Filter mit drei Durchlaßbereichen 3a, 3b, 3c abgedeckt sind. Mit einem derartigen Empfänger 4 ist es möglich, die Konzentration zweier durch die Absorptionsküvette geleiteter Gase mittels der Sensorbereiche 4a, 4c mit den Absorptionsmaximen der Gase entsprechenden Filtern 3a, 3c zu messen, wobei wiederum der Sensorbereich 4b mit dem Filter 3b das Bezugssignal liefert. Bei einer derartigen Ausführung werden zwei Quotienten gebildet, wobei die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 entsprechend abgewandelt werden muß.turned receiver 4, in which on the crystal disc 20 three sensor areas 4a, 4b, 4c are arranged close together, the are correspondingly covered with a filter with three passage areas 3a, 3b, 3c. With a Such a receiver 4, it is possible to determine the concentration of two through the absorption cuvette conducted gases by means of the sensor areas 4a, 4c with the absorption maxima of the gases corresponding Filters 3a, 3c to measure, again the sensor area 4b with the filter 3b supplies the reference signal. With such an implementation two quotients are formed, the circuit arrangement according to FIG. 1 being modified accordingly must become.
Der dritte Sensorbereich 4c kann auch zur Entfernung von Störkomponenten dienen, die das Meßergebnis verfälschen. So kann z.B. Wasserdampf in dem zu messenden Gas enthalten sein, dessen Absorptionskurve teilweise in der Filterkurve des zu messenden Gases liegt. Der Durchlaßbereich des Filters 3c ist dann so zu wählen, daß er im Absorptionsbereich von Wasserdampf aber außerhalb der Filterkurve des zu messenden Gases liegt. Das so durch den Sensorbereich 4c erzielte Signal kann zur Kalibrierung des Meßsignals verwendet werden.The third sensor area 4c can also be used to remove interfering components that affect the measurement result distort. For example, the gas to be measured can contain water vapor, its Absorption curve partially lies in the filter curve of the gas to be measured. The pass band of the filter 3c is then to be chosen so that it is in the absorption range of water vapor lies outside the filter curve of the gas to be measured. This is achieved by the sensor area 4c Signal can be used to calibrate the measurement signal.
Die in den bekannten Vorrichtungen verwendeten Strahlungsquellen sind üblicherweise Strahler mit Wendeln, die mechanisch sehr anfällig sind und deren Strahlungsverteilung aufgrund ihres Gefüges nicht sehr gleichmäßig ist. Für die vorliegende Vorrichtung sind aber IR-Strahler mit einer gleichmäßigen StrahlungsverteilungThe radiation sources used in the known devices are usually emitters with coils that are mechanically very susceptible and their radiation distribution due to their Structure is not very uniform. For the present device, however, are IR emitters with an even distribution of radiation
notwendig, um gute und genaue Meßergebnisse zu erzielen. Als Strahlungsquelle wird daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Flächenstrahler verwendet, der als auf ein Substrat aufgedampfter oder aufgesputterter Widerstand ausgebildet ist. Dieser Widerstand ist vorzugsweise m fenderförmig oder spiralförmig ausgebildet und besteht aus Nickel, Nickelchrom , aber vorzugsweise aus Platin, da er dann korrosionsfest und alterungsbeständiger ist. Ein derartiger Widerstand weist eine konstant verteilte Strahlungsleistung auf, wobei die Energieaufnahme gering ist.necessary to achieve good and accurate measurement results. As a radiation source is therefore in the present Embodiment a surface radiator used as a vapor deposited on a substrate or sputtered resistor is formed. This resistance is preferably m fender-shaped or formed spirally and consists of nickel, nickel chrome, but preferably of Platinum, as it is then corrosion-resistant and more resistant to aging. Such a resistance exhibits a constantly distributed radiant power, whereby the energy consumption is low.
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